第一节_开关电源DCM和CCM工作模式及仿真2013
开关电源CCM和DCM工作模式
开关电源Buck电路CCM及DCM工作模式一、Buck开关型调整器:图1二、CCM及DCM定义：1、CCM (Continuous Conduction Mode),连续导通模式：在一个开关周期内，电感电流从不会到0。
或者说电感从不“复位”，意味着在开关周期内电感磁通从不回到0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。
2、DCM，(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式：在开关周期内，电感电流总会会到0，意味着电感被适当地“复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。
3、BCM（Boundary Conduction Mode），边界或边界线导通模式：控制器监控电感电流，一旦检测到电流等于0，功率开关立即闭合。
控制器总是等电感电流“复位”来激活开关。
如果电感值电流高，而截至斜坡相当平，则开关周期延长，因此，BCM变化器是可变频率系统。
BCM变换器可以称为临界导通模式或CRM（Critical Conduction Mode）。
图1通过花电感电流曲线表示了三种不同的工作模式。
图2 电感工作的三种模式电流斜坡的中点幅值等于直流输出电流I的平均值，峰值电流Ip与谷值电o流I之差为纹波电流。
V三、CCM工作模式及特点根据CCM定义，测试出降压变换器工作于连续模式下的波形，如下图3所示。
图3波形1表示PWM 图形，将开关触发成导通和截止。
当开关SW 导通时，公共点SW/D 上的电压为Vin 。
相反，当开关断开时，公共点SW/D 电压将摆到负，此时电感电流对二极管D 提供偏置电流，出现负降压——续流作用。
波形3描述了电感两端电压的变化。
在平衡点，电感L 两端的平均电压为0，及S1+S2=0。
S1面积对应于开关导通时电压与时间的乘积，S2面积对应于开关关断时电压与时间的乘积。
S1简单地用矩形高度（in V -out V ）乘以D sw T ，而S2也是矩形高度-out V t 乘以（1-D ）sw T 。
DC-DC电源拓扑及其工作模式讲解
DC-DC电源拓扑及其工作模式讲解一、DC-DC电源基本拓扑分类：开关电源的三种基本拓扑结构有Buck、Boost、Buck-boost（反极性Boost）。
如果电感连接到地，就构成了升降压变换器，如果电感连接到输入端，就构成了升压变换器。
如果电感连接到输出端，就构成了降压变换器。
基本拓扑图如下：1.Buck2.Boost3.Buck-Boost二、DC-DC复杂拓扑结构1.反激隔离电源（FlyBack）另外有些隔离电源拓扑就是通过基本拓扑增加变压器或者变化得到的，例如反激隔离电源（FlyBack）。
2.Buck+Boost拓扑本质是用一个降压“加上”一个升压，来实现升降压。
SEPIC拓扑：集成了Boost和Flyback拓扑结构3.Cuk、Sepic、Zeta拓扑通过基本拓扑直接组合，形成了三个有实用价值的拓扑结构：Cuk、Sepic、Zeta。
Cuk的本质是Boost变换器和Buck变换器串联，Sepic的本质是Boost和Buck-Boost串联，Zeta可以看成Buck和Buck-Boost串联。
但是里面有些细节按照电流的方向在演进的过程中调整了二极管的方向，两极串联拓扑节省了复用的器件。
通过这样串联和演进，产生了新的三个电源拓扑。
同时，如果我们把同步Buck拓扑串联同步Boost可以形成四开关Buck-Boost拓扑。
4.四开关Buck-Boost拓扑同时，如果我们把同步Buck拓扑串联同步Boost可以形成四开关Buck-Boost拓扑5.反激、正激、推挽拓扑的演进利用变压器代替电感，可以把Boost演进为一个新拓扑FlyBack即反激变换器（反激的公式来看又是很像Buck-Boost，这里变压器不同于电感，也有说法会说反激是Buck-Boost变过来的）。
可以把Buck电路的开关通过一个变压器进行能量传递，就形成正激变换器。
将两个正激变换器进行并联，可以形成推挽拓扑。
正激的变压器，是直接输送能量过去，而不是像反激变压器那样传递能量。
开关电源CCM及DCM工作模式
开关电源Buck电路CCM及DCM工作模式一、Buck开关型调整器:图1二、CCM及DCM定义：1、CCM (Continuous Conduction Mode),连续导通模式：在一个开关周期内，电感电流从不会到0。
或者说电感从不“复位”，意味着在开关周期内电感磁通从不回到0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。
2、DCM，(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式：在开关周期内，电感电流总会会到0，意味着电感被适当地“复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。
3、BCM（Boundary Conduction Mode），边界或边界线导通模式：控制器监控电感电流，一旦检测到电流等于0，功率开关立即闭合。
控制器总是等电感电流“复位”来激活开关。
如果电感值电流高，而截至斜坡相当平，则开关周期延长，因此，BCM变化器是可变频率系统。
BCM变换器可以称为临界导通模式或CRM（Critical Conduction Mode）。
图1通过花电感电流曲线表示了三种不同的工作模式。
图2 电感工作的三种模式电流斜坡的中点幅值等于直流输出电流o I 的平均值，峰值电流Ip 与谷值电流V I 之差为纹波电流。
三、CCM 工作模式及特点根据CCM 定义，测试出降压变换器工作于连续模式下的波形，如下图3所示。
图3波形1表示PWM 图形，将开关触发成导通和截止。
当开关SW 导通时，公共点SW/D 上的电压为Vin 。
相反，当开关断开时，公共点SW/D 电压将摆到负，此时电感电流对二极管D 提供偏置电流，出现负降压——续流作用。
波形3描述了电感两端电压的变化。
在平衡点，电感L 两端的平均电压为0，及S1+S2=0。
S1面积对应于开关导通时电压与时间的乘积，S2面积对应于开关关断时电压与时间的乘积。
S1简单地用矩形高度（in V -out V ）乘以D sw T ，而S2也是矩形高度-out V t 乘以（1-D ）sw T 。
开关电源DCM和CCM工作模式及仿真
整流 脉冲电
滤波
稳压直流电
2013/7/7
5
一、什么是开关电源（3）
开关电源：泛指，电路中电力电子器件工作在高频 开关状态的直流电源。
– 电力电子器件工作在开关状态，损耗很小，因此整机效率高 – 其隔离和电压变换的变压器T是高频变压器，体积大大缩小，重
量大大减轻 – 输出直流电压可高可低
Specs: 48Vdc to 9.6Vdc/53A, Eff.=96.8%, Power Density: 19W/cm3 (312.3W/in3).
2013/7/7
9
一、什么是开关电源（7）
高效率电源的需求
应用管理器
公用电网
微型发电机
整流器 应用管理器
DC/DC
逆变器
DC/DC
DC/DC
直流负载
不断的增加功率密度和更高的工作效率。数字控制开关电源技术日 益得到广泛应用
2013/7/7
8
一、什么是开关电源（6）
High f/Eff./Power Density Conversion
Single Module
3 Modules On The Bench
500W Quarter Brick Bus Converter
20kHz – 20世纪80年代：IGBT功率MOSFET的出现——大功率开关电源开始
广泛应用 – 20世纪80年代开始：软开关技术的发展——开关频率不断得到突破，
100kHz，1Mhz，10MHz……。 – 20世纪90年代：功率因数校正电路——绿色电源（对电网无污染） – 21世纪：电力电子电磁兼容技术发展、磁集成技术得到大力发展，
L I L2
Ts
CCM&DCM比较
CCM continuous current mode 即电感电流连续模式DCM discontinuous current mode即电感电流断续模式占空比=導通時間/周期当电感较小,负载电阻较大,或占空比小而周期大时,将出现电感电流已下降到零而新的周期却尚未开始的情况,在新的周期电感电流从0开始线性增加.这种方式称DCM,而CCM当然是电感电流一直在D2时期都有电放.它们各有优缺点了.在DCM状态,一般管子容易出现尖峰电流,同时输出直流电压纹波增大.当然,电感很大一般都是CCM模式,而电感确定后,占空比很小了,自然电感电流不能连续变成DCM模式,而至于重载,这样在开关关断时,电感快速放电,也容易使电流不连续即DCM.APFC如果用BOOST一般是工作在CCM下,而用反激式才工作在DCM下CCM的初级电流有效值小一些,峰值电流也小一些,所以CCM效率高一些.一般说来在低电压是都工作在CCM,高电压工作在DCM区域比较好!DCM狀態下在Tr ton期間,整個能量轉移波形中具有較高的原邊峰值電流,這是因為初級電感值Lp相對較低之故,使Ip急劇升高所造成的負面效應是增加了繞組損耗(winding lose)和輸入濾波電容器的漣波電流,從而要求開關晶體管必須具有高電流承載能力,方能安全工作.在CCM狀態中,原邊峰值電流較低,但開關晶體在ton狀態時有較高的集電极電流值.因此導致開關晶體高功率的消耗.同時為達成CCM,就需要有較高的變壓器原邊電感值Lp,在變壓器磁芯中所儲存的殘餘能量則要求變壓器的體積較DCM時要大,而其他系數是相等的.綜上所述,DCM與CCM的變壓器在設計時是基本相同的,只是在原邊峰值電流的定義有些區在實際設計中通過調整氣隙大小來選定能量的傳遞方式(DCM / CCM) . 若工作於DCM方式,傳遞同樣的能量峰值電流是很高的. 工作中開關Tr,輸出二极體D以及電容C產生最大的損耗,變壓器自身產生最大的銅損(I2R). 若工作於CCM方式,電感較大時,電流上升斜率低雖然這種狀況下損耗最小,但這大的磁化直流成分和高的磁滯將使大多數鐵磁物質產生磁飽和. 所以設計時應使用一個折衷的方法,使峰值電流大小適中,峰值與直流有效值的比值比較適中. 只要調整一個合適的氣隙,就可得到這一傳遞方式,實現噪音小,效率合理之佳況.電感上面的能量是否已經被釋放完全,一般而言,在MOSFET導通時電感儲能,MOSFET截止時電感釋能,若以buck電路做解釋,如果輸出電流慢慢增加,超過其漣波電流值的1/2,就會開始進入CCM模式,所謂的CCM及DCM,就是指電感的操作條件.工作模式也不是绝对的,轻载的时候都是断续模式,一般希望在正常负载是电源工作在连续模式,这样功率开关上电流应力会小一些,缺点是需要相对来说比较大的磁元件.一般来说小功率的可以采用断续模式设计,大功率的采用连续模式设计.但实际工作中经常会出现不同工作模式的转换./| /|/ | / |/ | / |/ | / |__________/ |_______/ |________ Ids非連續模式DCM/| /|/ | / |/ | / || | | || | | |__________| |_______| |________ Ids 連續模式CCM。
第一节_开关电源DCM和CCM工作模式及仿真2013
– 水利、火力发电机： • 机械能、热能 – 干电池： • 化学能 – 计算机电源： • 交流电 – 太阳能电池、风能 • 太阳能、风能 网 电网电能 电能 直流电 电能/并
• 本书所指电源是：输入输出都是电 能的电能变换电源。 2013/7/7
控制设备，计算机等电源 焊机，超声电源，计算机电源等 焊机、高频感应加热，交换机等
500W～ 30kW
这类电源的共同特点：具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级 绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副边是隔离的，或是 部分隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。
2013/7/7 19
• 变压器副边电感方程：
I L 2 L Uo Ts
2L RTs
2＝
t
DTs iL
Uo 1 4K 1 2L M , 其中K＝ 2 Ui 2K D Ts R 在电感电流断续的情况下，Uo=DUi不成立。
U 1 I L ( D ) o ， 2 R I L L Ui 电感方程： DTs
s 2013/7/7
在电感电流断续的条件下，电路其它参数不 变而电路负载改变时，输出电压发生改变； 而在电感电流连续的情况下，输出电压不随 负载改变。 27
实际器件
iD
IL
Qrr
I RRM
uD
Vo
trr
iDS
I RRM
Ids
Vds
IL
2013/7/7
12
非理想变压器
2013/7/7
13
一、什么是开关电源（8）
开关电源产业当前关注的技术
2013/7/7
Buck 电路中的CCM和DCM
Buck 电路中的CCM和DCM降压电路是一种基本的DC/DC变换器。
随着IPM驱动和MCU供电、LED照明驱动、继电器和交流开关供电等小功率、直接从母线电压供电的应用场合越来越多，而目前的大部分DC/DC变换器输入电压一般在50V以内，一种高压的降压型斩波变换器被研究和使用得越来越广泛。
考虑到降压电路构成简单、成本较低，因此这种变换器具有良好的市场前景。
本文对其原理和高压降压电路应用设计进行了详细地阐述。
降压电路拓扑分析图1是降压拓扑的电路图。
当t=0时驱动S导通，电源Uin向负载供电，电感电流iL线性上升。
当t=ton时控制S关断，二极管VD续流，电感电流呈线性下降。
图1：降压拓扑电路图。
根据电感电流是否连续，可分为连续电流模式(CCM)、不连续电流模式(DCM)和临界电流模式(BCM或CRM或TM)。
通常串接较大电感L使负载电流连续且纹波小。
但是小功率SMPS中为了减小噪声以及损耗，通常选定电感电流不连续模式(DCM)。
CCM和DCM下的各参数波形如图2所示。
图2：CCM和DCM下主要参数波形。
1. BCM和CCM设IL为iL的平均值，△iL是iL的纹波值。
则在BCM和CCM模式下：稳态时:又从(3)和(4)得：从(1)、(2)和(5)得：在CCM下, (5)取>号在BCM下, (5)取等号， ==> L=R*Ts*(1-D)/22. DCM设图2中t1处iL=0，且a=(t1-ton)/Ts=t1/Ts-D。
则稳态时 L上电压开关周期平均值为0:C在开关周期内电流平均值为0:iL的平均值：IL=△iL*(D+a)/2<△iL/2Load电流： Io=Uo/R根据(7)、(8)和(4)得: 0.5*[(Uin-Uo)/L]*D*Ts*[Uin*D/Uo]=Uo/R且: K=2*L/(D2*Ts*R)=2/(D2*x), x=Ts*R/L, y=Uo/Uin。
图3：各模式下Uo/Uin的比值变化图。
CCM模式Boost开关变换器的非线性建模和仿真
Ｓ Ｅ Ｙ ｎ Ｘ Ｅ Ｇ ａｇｕ ，Ｃ Ｅ Ｇ Ｘｎ Ｈ Ｎ ｏｇ， Ｉ ｕ ｎｊｎ Ｈ Ｎ ｉ
（ｃｏｌｆＥｅｔ ｎｃＳｉ ｃ ｎ ｐ ｌｄＰ ｙｉ ，Ｈｆｉ ｎｖｒｔ ｏ ｅ ｎｌ ｙ ｅｉ ３０ ９ ｈｎ ） Ｓｈｏ ｏ ｌ ｒ ｉ ｃ ｎｅ ｄＡ ｐｉ ｈｓｓ ｅ ｉ ｓｙ ｆＴｃ ｏ ｇ ，Ｈｆ ０ ０ ，Ｃ ｉａ ｃｏ ｅ ａ ｅ ｃ ｅ Ｕ ｅ ｉ ｈ ｏ ｅ２
Ｃ Ｍ 模 式 Ｂ ｏｔ 关 变 换 器 的 非 线 性 建 模 和 仿 真 术 Ｃ ｏｓ 开
沈 勇 ， 光 军 ， 解 程 心
（ 肥 工 业 大 学 电 子科 学 与 应 用 物理 学 院 ， 肥 ２０ ０ ） 合 合 ３０ ９
摘 要 ： 在开关元件平均模型法的思想基础上， 提出了一种工作在连续电感电流模式下的Ｄ —ＣＢｏ （ ｃＤ ｏｓ 升压） ｔ 变换器模型。
等效 为理想开 关和 导通 电阻 Ｒ 的 串联 ， 二极 管等效
为理想开关 、 向压降 、 正 导通 电阻 ，的 串联 ， Ｒ
项 目来源 ： 合肥工业大学学生创新基金资助（ Ｓ９９ ） Ｘ ０ ０ ２
ｒｐ ｌ ｆｉ ｄ ｃｏ ，ｗｅ ｇ ｔｉｅ ｌｔａ ｓｅ ｕ ｃｉ ｎ ａ ｄ ｎ ｎ ｉ ｅ ｌｔａ ｓｅ ｕ ｃｉｎ． Ａｆｅ ｉ ｌｔ ｎ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｒｓｎ ｏ ｉ ｐ ｅ ｏ ｎ ｕ ｔｒ ｅ ｄ ａ ｒ ｎ ｆｒｆ ｎ ｔ ｎ ｏ －ｄ ａ ｒ ｎ ｆｒｆ ｎ ｔｏ ｏ ｔｒｓｍｕ ａｉ ｏ ｎ ｏ ａ ｉｏ ｆ ｔａ ｓｅ ｕ ｃｉｎ ，ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｆｃ ｎ ｉ ｅ ｎ ｕ ｒ ｎ ｐ ｌ ｆｉ ｄ ｃ ｏ ｓｍｏ ｅ ａ ｃ ｒｔ ｄ ｃ ｏ ｅ ｔ ｈ ｃｕ ． ｒ ｆｒｆ ｎ ｔ ｓ ｈ ｄ ｌｏ ｏ ｓｄ ｒ ｇ ｃ ｒｅ ｔｒ ｐ ｅ ｏ ｎ ｕ ｔｒｉ ｒ ｃ ｕ ａｅ ａ ｌｓ ｏ ｔｅ ａ ｔ ａ ｎ ｏ ｉ ｉ ｎ １ Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ：ｃ ｎｉ ｕ ｕ ｏ ｄ ｃｉ ｎ ｍｏ ｅ；Ｂｏ ｓ ｏ ｖ ￣ｅ ｓ Ｓ ｔｈ ａ ｅａ ｅ ｍ ｏ ｅ ｏ ｔ ｏ ｓｃ ｎ ｕ ｔ ｄ ｎ ｏ ｏ ｔｃ ｎ ｅ ｒ ； ｗｉ ｖ ｒ ｇ ｄ ｌ ｃ ＥＥＡＣ Ｃ ：６ ３ ２ ０Ｂ
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浙江大学电气工程学院 应用电子学系 二零一三年七月
本节内容
• 一、什么是开关电源 • 二、 开关电源中的电力电子电路 • 三、 主电路工作原理 • 四、电力电子器件 • 五、无源器件
2013/7/7
2
一、什么是开关电源
• 电源 • 线性电源 • 开关电源
一、什么是开关电源（1）
单端正激式变换 器(FORWARD)
50～200W
小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备 中的控制电源
推换式变换器 (PUSH－PULL) 半桥式变换器 (HALF BRIDGE) 全桥式变换器 (FULL BRIDGE)
100～500Ｗ
100～5000W
500W～ 30kW
控制设备，计算机等电源 焊机，超声电源，计算机电源等 焊机、高频感应加热，交换机等
不断的增加功率密度和更高的工作效率。数字控制开关电源技术日 益得到广泛应用
2013/7/7
8
一、什么是开关电源（6）
High f/Eff./Power Density Conversion
Single Module
3 Modules On The Bench
500W Quarter Brick Bus Converter
– 开关电源交流输入特性差，功率因数低，谐波电流大等 – 开关电源控制电路的供电部分谁来提供？用外接线性电源？
2013/7/7
11
理想器件
动态特性： Ton=0,Toff=0 静态特性 导通时R=0，关断时R=
Vds Ids
2013/7/7
实际器件
iD IL
uD
Qrr
IRRM
Vo
iDS
trr IRRM IL
交流输入 直流
2013/7/7
直流输出
变压器
高频交流
高频交流 脉动直流 稳定直流
6
一、什么是开关电源（4）
2013/7/7
7
一、什么是开关电源（5）
开关电源的发展
– 20世纪60年代：大功率晶体管BJT、GTR的出现——开关电源问世。 – 20世纪70年代：开关器件、磁性材料的不断改进——开关频率突破
这类电源的共同特点：具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级
绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副边是隔离的，或是
电源：提供电能的装置
•电机： • 机械能、热能
– 干电池： • 化学能
– 计算机电源： • 交流电
– 太阳能电池、风能 • 太阳能、风能 网
电网电能 电能 直流电
电能/并
• 本书所指电源是：输入输出都是电
2013能/7/7 的电能变换电源。
升降压型电路(BUCK-BOOST) CUK型电路
SPEIC型电路
ZETA型电路
隔离型电路
单管（双管）正激型电路（FORWARD) 反激电路(FLYBACK)
半桥型电路(HALF-BRIDGE) 全桥型电路(FULL-BRIDGE) 推挽型电路(PUSH-PULL)
2013/7/7
17
二、 开关电源中的电力电子电路（2）
buck
cuk
正激
2013/7/7
全桥
boost sepic 反激
Buck-boost zeta 半桥
推挽 18
二、 开关电源中的电力电子电路（3）
隔离型电力电子变换电路的功率等级和应用场合
电路类型
传输功率
应用环境
单端反激式变换 器(FLYBACK)
20～100W
小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备 中的控制电源
变压器降压 低压
整流 脉冲电
滤波
稳压直流电
2013/7/7
5
一、什么是开关电源（3）
开关电源：泛指，电路中电力电子器件工作在高频 开关状态的直流电源。
– 电力电子器件工作在开关状态，损耗很小，因此整机效率高 – 其隔离和电压变换的变压器T是高频变压器，体积大大缩小，重
量大大减轻 – 输出直流电压可高可低
20kHz – 20世纪80年代：IGBT功率MOSFET的出现——大功率开关电源开始
广泛应用 – 20世纪80年代开始：软开关技术的发展——开关频率不断得到突破，
100kHz，1Mhz，10MHz……。 – 20世纪90年代：功率因数校正电路——绿色电源（对电网无污染） – 21世纪：电力电子电磁兼容技术发展、磁集成技术得到大力发展，
• 磁性元件设计——《电磁场理论》，《电力电子技术》
• 电路的布局、布线、接地考虑
• 数字控制
• 监控设计
– 热管理，EMI控制
2013/7–/7 ……
15
二、 开关电源中的电力电子电路
• 分类 • 应用
二、 开关电源中的电力电子电路（1）
电力电子电路分类
非隔离型电路
降压型电路(BUCK)
升压型电路(BOOST)
Specs: 48Vdc to 9.6Vdc/53A, Eff.=96.8%, Power Density: 19W/cm3 (312.3W/in3).
2013/7/7
9
一、什么是开关电源（7）
高效率电源的需求
应用管理器
公用电网
微型发电机
整流器 应用管理器
DC/DC
逆变器
DC/DC
DC/DC
直流负载
12
非理想变压器
2013/7/7
13
一、什么是开关电源（8）
开关电源产业当前关注的技术
2013/7/7
14
一、什么是开关电源（8）
开关电源设计的步骤
• 电路拓扑选择——《电力电子技术》
• 元器件选择——《电力电子器件》
• 辅助电路如启动电路、供电电路、吸收电路设计等
• 控制系统反馈设计——《自动控制理论》
电网
2013/7/7
整流器
DC/DC
逆变器
电机
DC/DC
DC/DC
直流负载 10
一、什么是开关电源（5）
开关电源的新问题：
– 各元器件在高频工作状态时，不能忽略其寄生参数对电路工作 产生的影响，引起电压尖峰、热损耗问题。 如变压器的漏感，电感寄生电容，电容寄生电感，开关管寄生电 容等。
– 各器件非理想工作特性，如变压器激磁电感不是无穷大，二极 管有反向恢复特性，开关管在关断和开通过程中电压电流重叠 等，带来热损耗和EMI 问题。
4
一、什么是开关电源（2）
线性电源：
– 调整管工作在线性放大状态，调整 管损耗大，需要较大的散热装置。
– 工频变压器体积大，重量重。
线
– 整机效率低，只有60%左右，高输
性 电
入电压时更加低。
源
– 输出电压比输入电压至少要低2.5伏。
220v 18v
交流输入
晶体管
电压给定
15v
直流 输出
工频交流电 高压